國(guó)際熱核聚變裝置用超導(dǎo)電纜絞纜過(guò)程控制

薛天軍， 魏周榮， 秦經(jīng)剛， 張應(yīng)俊， 熊志全， 孫慧玉

（1.白銀有色長(zhǎng)通電線電纜有限責(zé)任公司，甘肅白銀730900；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031；3.北京云電英鈉超導(dǎo)電力技術(shù)有限公司，北京100080）

國(guó)際熱核聚變裝置用超導(dǎo)電纜絞纜過(guò)程控制

薛天軍1， 魏周榮1， 秦經(jīng)剛2， 張應(yīng)俊1， 熊志全3， 孫慧玉3

（1.白銀有色長(zhǎng)通電線電纜有限責(zé)任公司，甘肅白銀730900；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031；3.北京云電英鈉超導(dǎo)電力技術(shù)有限公司，北京100080）

介紹了超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)，分析了超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中產(chǎn)生蛇形彎曲和外徑不均勻的主要因素。非正規(guī)同向絞合的超導(dǎo)電纜是一種松散結(jié)構(gòu)；絞制過(guò)程中，單根股線或子纜中存在的應(yīng)力和放線張力不均勻是引起超導(dǎo)電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的主要因素；絞合過(guò)程中各級(jí)子纜的排線和五級(jí)纜絞合時(shí)引起的扭轉(zhuǎn)和變形以及分線的不均勻，是引起超導(dǎo)電纜蛇形彎曲的重要因素。通過(guò)合理配置各級(jí)纜絞合設(shè)備，控制絞制過(guò)程中收、放線張力，提升絞制設(shè)備的排線系統(tǒng)，改進(jìn)不銹鋼帶繞包系統(tǒng)等措施，可有效防止超導(dǎo)電纜產(chǎn)生蛇形彎曲。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆；管內(nèi)電纜導(dǎo)體；超導(dǎo)電纜；絞纜

0 引 言

隨著煤炭及石油等化石類資源的日漸枯竭，綠色替代新能源的開發(fā)利用已成必然。作為一種新能源，核聚變能主要利用核聚變反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量，其燃料來(lái)源是海水中有豐富蘊(yùn)藏量的氫同位素氘。與常規(guī)核裂變反應(yīng)不同，核聚變反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的核輻射非常少，屬清潔能源。隨著科技水平的不斷提高，超導(dǎo)磁體技術(shù)、磁約束技術(shù)等的快速發(fā)展為可控核聚變反應(yīng)裝置的研發(fā)創(chuàng)造了條件，核聚變能的利用正在成為可能。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡(jiǎn)稱ITER）計(jì)劃是由美國(guó)、歐盟、中國(guó)等七方聯(lián)合籌建的大型磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，其目的是在物理上對(duì)長(zhǎng)脈沖氘氚自持燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在工程上對(duì)反應(yīng)堆的技術(shù)可靠性進(jìn)行探索。ITER裝置共包括34個(gè)磁體線圈。由于需要產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，磁體中最大脈沖電流高達(dá)幾十千安，限于因電阻產(chǎn)生的焦耳熱等因素，常規(guī)導(dǎo)體無(wú)法滿足ITER裝置磁體線圈的載流需要［1-2］。

隨著超導(dǎo)材料制備技術(shù)的發(fā)展，基于NiSn3和NiTi合金材料的低溫超導(dǎo)股線的電磁特性已能夠滿足在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用條件，且已具備商業(yè)供應(yīng)的條件，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的管內(nèi)電纜導(dǎo)體（Cable-In-Conduit Conductors，簡(jiǎn)稱CICC）已成為目前國(guó)際上公認(rèn)的大型超導(dǎo)磁體線圈的首選導(dǎo)體［3-4］。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，ITER裝置用TF（Toroidal Field coils）型和PF（Poloidal Field coils）型兩種CICC導(dǎo)體的研制由我國(guó)承擔(dān)［5］。

CICC導(dǎo)體由超導(dǎo)電纜和套裝在其外層的不銹鋼鎧裝層組成。其中，超導(dǎo)電纜由多達(dá)一千多根超導(dǎo)股線和銅單線混合、以非正規(guī)絞合方式同向絞合而成；鎧裝層則由整根的不銹鋼管組成。超導(dǎo)電纜套裝在鎧裝層內(nèi)并經(jīng)緊壓成型后成為CICC導(dǎo)體。套裝時(shí)，超導(dǎo)電纜與不銹鋼鎧裝層間最大間隙為2.5 mm，由于各型號(hào)CICC導(dǎo)體長(zhǎng)度在800 m左右，要求不銹鋼套管長(zhǎng)度也必須達(dá)到上述長(zhǎng)度，穿管時(shí)，如果超導(dǎo)電纜外徑的均勻性和彎曲得不到保證，就會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)股線產(chǎn)生不可恢復(fù)性損傷，因此，超導(dǎo)電纜外徑的均勻性和彎曲度是影響超導(dǎo)電纜絞制成功的關(guān)鍵技術(shù)因素。然而，由于是同向絞合，超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)自身具有不穩(wěn)定性，各級(jí)子纜絞制過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力容易導(dǎo)致蛇形彎曲。

本文介紹了CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)及其絞制技術(shù)，重點(diǎn)分析了超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中產(chǎn)生蛇形彎曲的主要因素，并據(jù)此提出均勻控制絞合張力，優(yōu)化分線環(huán)裝置等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了各級(jí)子纜絞制過(guò)程中的股線張力的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，有效地解決了蛇形彎曲，在此基礎(chǔ)上完成了多根PF5型超導(dǎo)電纜的絞制。

1 CICC導(dǎo)體及其超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)

CICC導(dǎo)體包括超導(dǎo)電纜及套裝于外層的鎧裝層兩部分，套裝在CICC導(dǎo)體鎧裝層內(nèi)的超導(dǎo)電纜是一種多級(jí)纜，共由5級(jí)子纜組成。其第一級(jí)子纜由若干根超導(dǎo)股線按照一定的絞合節(jié)距絞合構(gòu)成；第二至第五級(jí)子纜分別由第一至第四級(jí)子纜以非正規(guī)絞合結(jié)構(gòu)、同向絞合而成。五級(jí)子纜是CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜成品，其外層重疊繞包一層不銹鋼帶，在五級(jí)子纜絞制過(guò)程中，須對(duì)超導(dǎo)電纜的外徑進(jìn)行緊壓控制，以保證超導(dǎo)電纜外徑滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到套裝條件。

在完成超導(dǎo)電纜與鎧裝層的套裝后，需對(duì)CICC導(dǎo)體進(jìn)行緊壓，以降低超導(dǎo)磁體線圈結(jié)構(gòu)尺寸并防止載流過(guò)程中產(chǎn)生的巨大電動(dòng)力引起的超導(dǎo)股線移位。緊壓后，CICC導(dǎo)體外形可為圓形或方形。圖1 為PF5型CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜典型結(jié)構(gòu)，圖2為PF5型CICC導(dǎo)體截面圖。

圖1　CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜典型結(jié)構(gòu)

圖2　CICC導(dǎo)體截面1—超導(dǎo)電纜支撐管 2—超導(dǎo)股線 3—繞包在第4級(jí)子纜外的不銹鋼帶 4—五級(jí)纜不銹鋼帶 5—CICC導(dǎo)體鎧裝層

2 超導(dǎo)電纜絞制技術(shù)難題

自2007年9月，白銀有色長(zhǎng)通電線電纜有限責(zé)任公司即開展CICC導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜絞纜技術(shù)研發(fā)。多根模型啞纜試制表明，五級(jí)子纜的絞制過(guò)程中，即使在五級(jí)子纜處于張力情況下，也極易出現(xiàn)蛇形彎曲，解除張力自由放置時(shí)，這種蛇形彎曲更趨明顯。通過(guò)采取不同的方式、設(shè)備進(jìn)行絞制，均無(wú)法完全避免這種蛇形彎曲的出現(xiàn)。

由于超導(dǎo)電纜最終套裝在長(zhǎng)度為800 m左右的不銹鋼管中，其最大套裝公差僅為2.5 mm，這對(duì)超導(dǎo)電纜的外徑均勻性和線性一致性提出了更高的要求。產(chǎn)生蛇形彎曲時(shí)，部分股線沿圓周方向突出，一個(gè)節(jié)距內(nèi)超導(dǎo)電纜的整體輪廓外徑明顯增大。在結(jié)構(gòu)方面，這將導(dǎo)致穿管難度加大，使得穿管拉力超出股線承受能力，損傷超導(dǎo)股線，圖3是超導(dǎo)電纜局部彎曲造成穿管牽引力驟增；在電氣方面，由于這種蛇形彎曲引起的超導(dǎo)電纜內(nèi)部空隙率不均勻，將導(dǎo)致股線間的電流分配不均，從而引起交流損耗增加，這將嚴(yán)重制約超導(dǎo)電纜的穩(wěn)定載流能力。超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中的蛇形彎曲和由此導(dǎo)致的外徑不均勻已成為嚴(yán)重制約超導(dǎo)電纜絞制成功與否的關(guān)鍵技術(shù)難題。圖4為張力條件下，五級(jí)子纜絞制過(guò)程中產(chǎn)生的蛇形彎曲。

3 導(dǎo)致蛇形彎曲的主要因素

經(jīng)過(guò)對(duì)超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中的張力監(jiān)測(cè)、分線角度、預(yù)絞角度等因素進(jìn)行分析，并對(duì)絞制的超導(dǎo)電纜進(jìn)行解剖。解剖分析表明，超導(dǎo)電纜各級(jí)子纜均存在一定的蛇形彎曲或損傷，但在五級(jí)子纜絞制過(guò)程中更為明顯。經(jīng)過(guò)對(duì)超導(dǎo)電纜自身結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，并經(jīng)多根模型啞纜的多次試制，對(duì)多個(gè)影響因素進(jìn)行排除。理論分析和絞制實(shí)踐表明，造成超導(dǎo)電纜蛇形彎曲主要原因包括以下幾個(gè)方面。

圖3　超導(dǎo)電纜穿管牽引力曲線

3.1超導(dǎo)電纜自身結(jié)構(gòu)和絞纜過(guò)程中的張力

超導(dǎo)電纜由多級(jí)子纜絞合而成，為防止絞合過(guò)程中造成超導(dǎo)股線局部受力受損，超導(dǎo)電纜多級(jí)子纜設(shè)計(jì)為同向絞合，因而其結(jié)構(gòu)為非正規(guī)、同向絞合，這種結(jié)構(gòu)自身是一種松散結(jié)構(gòu)。單根超導(dǎo)電纜由一千多根超導(dǎo)股線或銅股線分五級(jí)絞制而成，在超導(dǎo)電纜子纜絞制過(guò)程中，單根股線或子纜中存在一定的應(yīng)力。這種應(yīng)力的存在容易導(dǎo)致電纜出現(xiàn)彎曲或外徑不均勻；而絞制過(guò)程中股線或子纜的周向和軸向運(yùn)動(dòng)，加劇了部分股線的應(yīng)力，使得產(chǎn)生的應(yīng)力更為不均。

每根股線或子纜的張力不均勻，必然導(dǎo)致絞合過(guò)程中各子纜的絞入量不一致。這使得在絞纜長(zhǎng)度方向、不同節(jié)距內(nèi)，各股線或子纜中心與超導(dǎo)電纜中心軸線間的距離發(fā)生變化，產(chǎn)生外徑不均勻；而絞制過(guò)程中的周向運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致蛇形彎曲的產(chǎn)生，這是造成超導(dǎo)電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的主要原因。

由于各股線中存在一定的應(yīng)力，如果絞合中放線張力值太大，導(dǎo)致股線中的應(yīng)力在絞合前不能釋放，應(yīng)力存留到絞合后的電纜中，致使電纜彎曲。

3.2絞合后各子（成品）纜產(chǎn)生應(yīng)力

子（成品）纜應(yīng)力的產(chǎn)生與絞合設(shè)備的絞合方式有著密切的關(guān)系，要使絞合后的子（成品）纜不產(chǎn)生應(yīng)力，絞合設(shè)備必須完全退扭。

3.3各級(jí)子纜的排線質(zhì)量

超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中，股線或各級(jí)子纜帶有一定的張力，若設(shè)備操作不當(dāng)，則容易出現(xiàn)收排線不平整現(xiàn)象，產(chǎn)生壓線。在張力條件下，這種壓線容易造成子纜局部壓散、變形，這也是造成超導(dǎo)電纜產(chǎn)生蛇形彎曲的重要原因之一。

3.4五級(jí)纜絞合時(shí)的扭轉(zhuǎn)和變形

為了保證超導(dǎo)電纜的外徑一致，五級(jí)纜絞合時(shí)，需要經(jīng)多級(jí)緊壓輪的緊壓和不銹鋼帶的強(qiáng)力繞包。如果各級(jí)緊壓輪不能校準(zhǔn)在一條直線上，緊壓時(shí)電纜就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致超導(dǎo)電纜產(chǎn)生局部彎曲；同時(shí)，在超導(dǎo)電纜不銹鋼帶包覆過(guò)程中，電纜晃動(dòng)幅度過(guò)大，使電纜扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彎曲。

此外，各股線或各級(jí)子纜，尤其是五級(jí)纜絞合時(shí)四級(jí)子纜進(jìn)入絞合前不能等距分線，致使各股線不能均勻一致地進(jìn)行絞合，從而產(chǎn)生一定程度的彎曲。

4 解決措施

4.1設(shè)備選型

一級(jí)纜絞合的數(shù)量比較大，如采用籠式絞線機(jī)則生產(chǎn)效率較低。為提高效率，一級(jí)纜我們選用了φ630單絞機(jī)，并進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了單絞機(jī)主動(dòng)放線、主動(dòng)退扭。二、三級(jí)纜采用φ500/6型籠絞機(jī)，四、五級(jí)纜采用φ1250/6型籠絞機(jī)。

4.2控制收、放線張力

技術(shù)人員重點(diǎn)對(duì)各級(jí)纜絞合設(shè)備的收、放線張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)收、放線張力的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)反饋、自動(dòng)調(diào)整，確保了絞合中超導(dǎo)電纜股線和各級(jí)子纜的張力均勻，達(dá)到精準(zhǔn)控制。

為消除股線中的應(yīng)力，應(yīng)將股線收、放線張力控制在一定的范圍內(nèi)，表1為超導(dǎo)電纜絞制過(guò)程中各級(jí)子纜放線張力控制范圍。

表1　各級(jí)纜放線張力控制范圍

4.3改進(jìn)四、五級(jí)纜絞合設(shè)備分線裝置

一般籠式絞線機(jī)的分線環(huán)的設(shè)置按照放線盤數(shù)等分，因此φ1250/6型籠絞機(jī)的分線環(huán)是六等分，但CICC絞纜的四、五級(jí)纜絞合根數(shù)按照絞合規(guī)范來(lái)確定，有四、五、六根三種情況，為保證均勻分線，設(shè)計(jì)加工了四、五等分分線環(huán)，圖5為四等分分線環(huán)實(shí)物照片。

圖5　四等分分線環(huán)實(shí)物照片

4.4減小超導(dǎo)電纜絞合中的扭轉(zhuǎn)、變形

技術(shù)人員合理地配置不銹鋼鋼帶繞包模具，繞包前、后模具孔徑比電纜外徑分別大1～1.5 mm、1.3～1.8 mm；在實(shí)現(xiàn)正常繞包的前提下最大限度地縮短前后模具的距離，合理控制繞包張力，以降低電纜晃動(dòng)幅度；五級(jí)纜緊壓前，將各道緊壓輪的中心校正在一條直線上，縮短各道緊壓輪的間距，以減小緊壓時(shí)的扭轉(zhuǎn)；提高排線的質(zhì)量，有效防止收排線中出現(xiàn)子纜局部壓散、變形等不良現(xiàn)象。

圖6是采取以上措施后絞制的五級(jí)纜，從圖中可以看出電纜較為筆直。

圖6　超導(dǎo)電纜五級(jí)纜絞制

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取上述措施，超導(dǎo)電纜蛇形彎曲問(wèn)題得到了徹底解決。

2009年5月和2010年3月，白銀有色長(zhǎng)通電線電纜有限責(zé)任公司完成了ITER裝置用CICC-TF型、PF型超導(dǎo)電纜絞纜技術(shù)工藝定型，通過(guò)了中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心組織的工藝評(píng)審。2011年、2012年分別完成第一根765 m啞纜和750 m超導(dǎo)電纜的絞制，實(shí)現(xiàn)了ITER裝置用超導(dǎo)電纜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

［1］ 滕玉平，戴少濤，魏周榮，等.ITER裝置超導(dǎo)磁體線圈導(dǎo)體用超導(dǎo)電纜的絞制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（1）：4-12.

［2］ 滕玉平，魏周榮，薛天軍，等.國(guó)際核聚變裝置用超導(dǎo)電纜絞纜技術(shù)優(yōu)化研究［J］.電線電纜，2011（4）：8-10.

［3］ 蔣華偉，李國(guó)平，趙玉娟，等.基于穩(wěn)定性CICC設(shè)計(jì)模型［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，21（1）：14-18.

［4］ 劉 勃，武 玉.ITER超導(dǎo)磁體線圈電磁分析［J］.低溫與超導(dǎo)，2009，39（9）：31-33.

［5］ 武 玉.ITER PF/TF導(dǎo)體采購(gòu)包工作進(jìn)展［C］//CNDA工作會(huì)議報(bào)告，2009.

Cabling Process Control of ITER Superconductive Cable

XUE Tian-jun1，WEI Zhou-rong1，QIN Jing-gang2，ZHANG Ying-jun1，XIONG Zhi-quan3，SUN Hui-yu3

（1.Baiyin Non-ferrous Changtong Wire&Cable Co.，Ltd.，Baiyin 730900，China；2.Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China；3.Beijing Innopower Superconducting Power Technology co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

The structure of the superconducting cable is introduced.The main factor which resulted in the serpentine bend and the nonuniformity in outer diameter when cabling are analyzed.The superconductive cable twisted in the same but irregular direction appears a loose struction.During the twisting process，themain factor of serpentine bend caused by the tension and its inhomogeneity existed in the single or sub-stage strand（s）are presented.Another important factor for twisting，deformation and uneven line caused by both winding displacement of every sub-stage and twisting of fifth-stage cable is also described.The serpentine bend can be avoided effectively by reasonable configuration of cable stranded equipment at all levels，adjusting the take-up and pay-off tension，upgrading the wire align system，and improving the wrapping system for the stainless steel.

ITER；CICC conductor；superconductive cable；cabling

TM249.7

A

1672-6901（2015）06-0021-04

2015-03-26

薛天軍（1971-），男，工程師.

作者地址：甘肅白銀市白銀區(qū)銀山路135號(hào)［730900］.